基于有限元和實(shí)驗(yàn)互動(dòng)式的飛行器制造課程教學(xué)實(shí)踐探索

黨利，馬遙力，趙輝，韓非非

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 航空工程學(xué)院，河南 鄭州)

一 引言

全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略，新一輪科技和產(chǎn)業(yè)變革對制造企業(yè)的研發(fā)能力提出了極高的要求，當(dāng)然對人才的培養(yǎng)也提出了更高的要求。綠色、智能是制造業(yè)轉(zhuǎn)型的主要方向，堅(jiān)持綠色發(fā)展，推行綠色制造是關(guān)鍵舉措。而有限元仿真技術(shù)是驅(qū)動(dòng)制造企業(yè)綠色制造與創(chuàng)新制造的核心技術(shù)之一，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，降低成本。并要將有限元法充分和本科教學(xué)課堂相融合，馬竹樵[1]指出在應(yīng)用型本科高校開展有限元課程，對培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才，提高學(xué)生解決工程問題能力至關(guān)重要；鄧小林[2]將ABAQUS有限元融入到材料力學(xué)課堂中得到了很好的教學(xué)效果，提高了對知識點(diǎn)的掌握，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；張洪偉[3]探索了有限元法課程的教學(xué)模式改革和解決方案，指出加強(qiáng)學(xué)生工程意識和工程能力的培養(yǎng)，重點(diǎn)突出工程應(yīng)用，取得了良好的教學(xué)效果；向維等人[4]探討了面向機(jī)械大類專業(yè)本科生的有限元課程教學(xué)改革，指出有限元法結(jié)合實(shí)踐環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可鍛煉和提高學(xué)生獨(dú)立分析和解決工程問題的能力；何山[5]將有限元軟件應(yīng)用于電機(jī)課程教學(xué)，將磁場等知識點(diǎn)圖形化，便于學(xué)生的理解，提高了學(xué)習(xí)效果；徐兵[6]等人將有限元法運(yùn)用于材料力學(xué)的理論教學(xué)中，結(jié)果表明提高力學(xué)課程課堂教學(xué)效率，便于學(xué)生的理解和學(xué)習(xí)，并為學(xué)生后續(xù)研究提供保障。《飛行器制造與裝配工藝學(xué)》屬于飛行器相關(guān)專業(yè)的一門專業(yè)課，并涉及到零部件成形方法和工藝設(shè)計(jì)，以及成形模具設(shè)計(jì)和受力分析等知識，因此在此課程中融入有限元對學(xué)生能力的培養(yǎng)更有利。

《飛行器制造與裝配工藝學(xué)》涉及到機(jī)械制圖和機(jī)械原理專業(yè)基礎(chǔ)課。在此課程中將有限元融入到此課程中，不僅鍛煉學(xué)生的制圖（三維和二維）能力，可以讓學(xué)生運(yùn)用已學(xué)習(xí)過的機(jī)械知識解決實(shí)際問題，同時(shí)能夠讓學(xué)生施展自己的設(shè)計(jì)才能。還可以讓學(xué)生通過虛擬仿真的方法，初步了解改變成形參數(shù)對零件成形過程的影響，初步培養(yǎng)學(xué)生制定成形工藝的思維，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的查閱文獻(xiàn)的能力。

二 有限元建模過程

有限元方針建模主要包括集合模型，材料模型、邊界條件，網(wǎng)格劃分和模擬分析步的設(shè)定幾個(gè)方面。下面針對每個(gè)環(huán)節(jié)所能對學(xué)生能力和知識方面的培養(yǎng)進(jìn)行分析和闡述。本文以拉深成形工藝為例介紹數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相融合在《飛行器制造與裝配工藝學(xué)》教學(xué)中的實(shí)踐應(yīng)用。

（一） 幾何模型

圖1 板材拉深幾何模型

幾何模型的建立可采用三維造型和二維制圖軟

件，常用的三維軟件有solidworks，UG，CATIA；常用的二維制圖軟件有OutCAD和CAXA。通過這個(gè)環(huán)節(jié)，不僅培養(yǎng)了學(xué)生的軟件應(yīng)用能力，在一定程度上也培養(yǎng)了學(xué)生的工藝制定設(shè)計(jì)能力。本文所采用的筒形件的拉深三維模型如圖1所示。

（二） 材料模型

材料模型通常包括材料的彈性變形特性和塑性變形特性，還有材料的熱傳導(dǎo)、熱輻射系數(shù)、泊松比、線膨脹系數(shù)等物理特性[7,8]，這些知識點(diǎn)在大二的材料力學(xué)課程中也都有學(xué)到，在大三的這門課中可得到很好的應(yīng)用。對于常用的試驗(yàn)材料，有限元軟件的材料庫里面會有，可直接使用。對于材料庫沒有的材料其力學(xué)性能都能通過文獻(xiàn)查閱獲取。如果是新材料則需通過單項(xiàng)拉深實(shí)驗(yàn)測取力學(xué)性能曲線，這個(gè)單向拉伸實(shí)驗(yàn)在大二也進(jìn)行過實(shí)踐，并在此可以讓學(xué)生更進(jìn)一步知道實(shí)驗(yàn)的作用。當(dāng)然在此要向?qū)W生指出，圓柱拉伸實(shí)驗(yàn)所獲得的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，并不能用于所有的成形工藝，要根據(jù)工藝成形特點(diǎn)選取板材、圓柱或者圓管拉伸試樣，但是獲取數(shù)據(jù)的方法是相同的。所以，通過此環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生對原來學(xué)過的材料力學(xué)，理論力學(xué)等理論課程鞏固復(fù)習(xí)，并在此基礎(chǔ)上培養(yǎng)學(xué)生用已學(xué)理論知識解決實(shí)際問題的能力。本文做拉伸試驗(yàn)所用的材料是普通的45鋼，所使用的DEFORM有限元軟件里面有此種鋼的材料模型數(shù)據(jù)（如圖2所示），所以可直接調(diào)用即可。

圖2 DEFROM有限元平臺中1045鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線

（三） 網(wǎng)格劃分

在有限元分析中，網(wǎng)格劃分是很關(guān)鍵的。在進(jìn)行有限元知識講解時(shí)，有學(xué)生問網(wǎng)格多了好還是少了好。通常網(wǎng)格越多，計(jì)算精度越高，但是會導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間增加，同時(shí)也會占用很大的儲存空間，所以網(wǎng)格的劃分滿足工程精度就好。通常為了兼顧計(jì)算時(shí)間和精度，在必要變形較大部位進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化，別的部位網(wǎng)格可稍粗一些，如圖3所示在拉深成形過程中的凹模圓角處是變形比較劇烈的地方，在此處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

圖3 有限元模型

（四） 邊界條件

邊界條件包括物體之間的模摩擦，熱傳導(dǎo)，物體之間的熱交換，模具的移動(dòng)速度，模具和成形坯料的初始溫度等。在此學(xué)生課通過查閱文獻(xiàn)了解到不同成形工藝中常用潤滑劑，并且不同的潤滑劑摩擦系數(shù)是有所不同的。不同物體的熱傳導(dǎo)系數(shù)也有所差別，物體之間的熱交換系數(shù)和這些數(shù)據(jù)也可通過文獻(xiàn)查到。本文所采用的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件

三 有限元模擬分析

通過對模擬結(jié)果的觀察可讓學(xué)生知道零件的成形過程，更容易加深理解和記憶。并且在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下，學(xué)生還可通過改變工藝參數(shù)和工件的相對位置了解實(shí)際成形過程中出現(xiàn)缺陷的原因。達(dá)到理論和實(shí)踐相結(jié)合的效果。另外，學(xué)生還可以方便看到不同地方應(yīng)力場，應(yīng)變場，溫度場和損傷的分布情況，了解更多信息，找出出現(xiàn)缺陷的原因等。

（一） 成形過程

圖4為拉深件的成形過程，在拉深成形過程中，坯料外圓不斷的收縮，并在拉力作用下向下移動(dòng)最終形成拉深件。拉深件的上邊緣凸凹不平，是由于摩擦不均勻，變形不均勻所致，當(dāng)然在實(shí)際成形過程中凸凹不平會更加嚴(yán)重一些，其原因除了摩擦的影響還有板材力學(xué)性能的各向異性的影響。

圖4 拉伸成形過程

（二） 缺陷形成原因

1.外圓起皺

深杯件拉深外圓起皺的原因是切向壓應(yīng)力過大，壓邊力太小，從而導(dǎo)致外圓起皺。圖5（a）為實(shí)際拉深件的外圓起皺情況，圖5（a）-（d）為壓邊力分別是200N，400N和500N時(shí)的成形情況，可以直觀看出，壓邊力的增大，可明顯改善外圓起皺現(xiàn)象。學(xué)生可以通過模擬實(shí)驗(yàn)直觀深刻掌握該知識點(diǎn)，并知道壓應(yīng)力是導(dǎo)致外圓起皺的原因。并在今后工作中也可采用有限元法對實(shí)際工況中的壓邊力進(jìn)行預(yù)評估，達(dá)到事半功倍的工作效果。

圖5 不同壓邊力外圓起皺情況

2.邊緣不對稱

對于在理論教學(xué)中沒有涉及到缺陷，也可通過

有限元的方法讓學(xué)生了解缺陷形成原因，并對缺陷進(jìn)行修正。如圖6（a）所示凸凹不平的邊緣，原因之一是板材的材料異性所導(dǎo)致的變形不均勻，原因之二是邊緣摩擦力不均勻的影響。

圖6 拉深邊緣不對稱原因分析

另外，如圖6（a）所示的筒形拉深件存在邊緣不對稱情況，其原因則是坯料偏置所引起的，圖6分別是無偏置、偏置0.5mm和偏置1mm的模擬結(jié)果，可以看出偏置量增大，凸緣的不對稱程度越高。這樣學(xué)生可知道在實(shí)驗(yàn)過程中，保證工件和凹模的同心度，控制偏置量對控制凸緣不對稱缺陷的程度的重要性。同時(shí)也學(xué)會了用有限元仿真軟件分析缺陷的方法，為今后的工作和讀研都有很好的指導(dǎo)意義。

3.場量分布分析

在拉深成形過程中很容易在工件的底部產(chǎn)生裂紋，其原因是在此處會有較大的拉應(yīng)力，所以會出現(xiàn)較大的損傷，如圖7（a）所示。

另外，在實(shí)際的拉深實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)取出拉深件時(shí)發(fā)現(xiàn)工件的溫度會升高，通過對溫度場進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，相對于原來的溫度，由于摩擦和塑性變形熱的影響，工件的邊緣溫度確實(shí)有所升高，如圖7（b）所示，有原來的室溫20℃，上升到了45-60℃之間，學(xué)生科學(xué)直觀地看到溫度場的分布結(jié)果。

圖7 場量分析

四 結(jié)論

（1）本文以杯形件拉深成形為例介紹了將有限元和實(shí)際制造課程相結(jié)合，通過有限元仿真的學(xué)習(xí)和實(shí)踐，學(xué)生不僅學(xué)了CAD軟件的應(yīng)用，也初步了解了有限元軟件對于解決實(shí)際工程問題的應(yīng)用。

（2）通過有限元和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，不僅能讓學(xué)生對理論教材中所涉及到的缺陷成形原因有更好的認(rèn)識，也可對實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的教材中沒有涉及到的缺陷有新的認(rèn)識。

（3）通過有限元法和實(shí)際實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，可讓學(xué)生用已學(xué)理論知識對遇到的工程問題進(jìn)行分析和解決，更深刻地理解和掌握理論知識，初步培養(yǎng)學(xué)生理論結(jié)合工程軟件分析解決問題的能力，同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，為今后的工作和學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。